基于滅火彈爆炸特性的森林火災(zāi)撲救性能研究與優(yōu)化

王麗鵬, 張世順, 張?zhí)煳? 孟 宏

(1.山西易通森林火災(zāi)防控裝備有限公司,山西 長治 046000;2.中國人民警察大學(xué),河北 廊坊 065000;3.河北省應(yīng)急救援技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 廊坊 065000)

1 森林滅火彈技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

森林火災(zāi)是一種在森林或林地中蔓延的大面積火災(zāi),會造成燃燒森林植被、地表和地下的有機(jī)物質(zhì)、動植物死亡以及土壤侵蝕等嚴(yán)重后果。森林火災(zāi)具有高溫、強(qiáng)火焰、高能量釋放和快速蔓延等特點(diǎn),影響著全球生態(tài)系統(tǒng)的演替模式和過程[1]。由于極端高溫天氣頻現(xiàn)和人為用火不當(dāng),森林火災(zāi)的頻率和強(qiáng)度不斷升高,這使得火災(zāi)防控形勢變得更加嚴(yán)峻[2]。因此,迫切需要高效實(shí)用的技術(shù)手段來支持火災(zāi)撲救工作。近年來,森林滅火彈作為一種創(chuàng)新的森林火災(zāi)應(yīng)對工具被廣泛應(yīng)用[3]。森林滅火彈是一種特制的火災(zāi)滅火設(shè)備,它由可燃物和滅火劑等組成,可以通過空中投放或地面投擲等方式進(jìn)行使用,具有快速滅火、廣泛擴(kuò)展范圍、持久滅火效果、環(huán)保安全和低制造成本等優(yōu)勢[4]。通過裝藥的爆轟作用,滅火彈能夠?qū)缁饎┭杆賿伻龅交饒鯷5]。滅火彈的滅火效能主要取決于其拋撒半徑、形狀和濃度。其中,拋撒半徑對于滅火劑的有效性具有至關(guān)重要的影響,有效滅火半徑則是評估滅火彈性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)[6]。本文通過進(jìn)行靜爆實(shí)驗(yàn),對不同型號的森林滅火彈進(jìn)行了爆炸和滅火劑拋撒過程的全面記錄分析。在實(shí)驗(yàn)中獲得了一系列有效數(shù)據(jù),并得到了理想的滅火劑有效滅火面積。這為今后進(jìn)一步提高森林滅火彈的滅火范圍研究打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)設(shè)計和裝備參數(shù)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計思路是通過靜爆試驗(yàn)和無人機(jī)投放試驗(yàn)來評估不同型號的森林滅火彈的效果和性能。靜爆試驗(yàn)所需的龍門架寬度為10 m,高度 20 m,設(shè)計承載重量為 2 t,采用地腳螺栓結(jié)合多方位斜拉鋼絲繩的方式進(jìn)行固定。所使用的滅火彈如圖1所示。首先,在20型靜爆試驗(yàn)中,我們將20型試驗(yàn)彈布置到試驗(yàn)區(qū),并安裝拋撒裝藥組件、連接雷管與起爆線,并將試驗(yàn)彈升至15 m的高度。在試驗(yàn)爆炸后,觀察滅火劑的拋撒范圍,并對于地面上不同距離內(nèi)的滅火劑進(jìn)行收納稱量,以確定有效的滅火面積和滅火半徑。接下來,進(jìn)行300型靜爆試驗(yàn),按照同樣的步驟和人員配置進(jìn)行多次試驗(yàn),以進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。最后進(jìn)行無人機(jī)投放試驗(yàn),無人機(jī)在目標(biāo)上方500 m的高度進(jìn)行投放,為了控制滅火彈的下落姿態(tài),我們在彈體尾部安裝了調(diào)姿傘。調(diào)姿傘有兩種規(guī)格:一種是較小的,傘張開直徑為70 cm;另一種是較大的,傘張開直徑為280 cm,將滅火彈準(zhǔn)確投放至地面標(biāo)示目標(biāo)區(qū)域。在投放后,滅火彈受到調(diào)姿傘的作用,以彈頭朝下的姿態(tài)降落到目標(biāo)區(qū)域。當(dāng)滅火彈到達(dá)引信感應(yīng)距離內(nèi)時,引信觸發(fā)起爆,拋撒裝藥使滅火劑得以分散,并均勻撒落在地面上。我們將對拋撒高度、覆蓋面積和有效半徑進(jìn)行觀測和計算。

圖1 未安裝火工器材的兩種型號滅火航彈

2.2 試驗(yàn)裝備

2.2.1 試驗(yàn)裝備

本實(shí)驗(yàn)的搭建需要使用大量輔助器材來確保實(shí)驗(yàn)順利實(shí)施并得到有效真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),見表1。

表1 滅火彈試驗(yàn)所需的輔助器材

2.2.2 滅火彈型號

實(shí)驗(yàn)使用的滅火彈為山西易通森林火災(zāi)防控裝備有限公司研發(fā)。滅火彈使用鈍化黑索金和硝基胍作為制造爆炸性物質(zhì),是火藥混合物的一部分,該物質(zhì)在制造火箭燃料和其他爆炸性物質(zhì)時具有重要的作用。本次用于試驗(yàn)滅火彈分別為300型滅火彈(4.9 kg裝藥相當(dāng)于2.5 kgTNT當(dāng)量),20型滅彈(70 g裝藥),具體參數(shù)見表2。靜爆試驗(yàn)當(dāng)天現(xiàn)場溫度:0～3℃;風(fēng)力:北風(fēng) 2～3 級。

表2 滅火彈型號及試驗(yàn)參數(shù)

3 滅火彈靜爆試驗(yàn)結(jié)果

3.1 20型滅火彈靜爆試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1.1 20型1#滅火彈靜爆試驗(yàn)結(jié)果和分析

通過在龍門架中懸掛20型1#滅火彈并進(jìn)行靜爆試驗(yàn),探究了滅火彈在此懸掛情況下的爆炸效果,并對森林、草原火災(zāi)的控制范圍進(jìn)行評估。試驗(yàn)中,滅火彈的彈體被豎直懸掛在龍門架中間,距離地面凈高11 m,起爆點(diǎn)位于彈體下部,以實(shí)現(xiàn)自下而上的爆轟。如圖2(a)所示。

圖2 20型1#滅火彈

試驗(yàn)結(jié)果表明,滅火彈內(nèi)部的雷管、中心起爆管等火工元件正常運(yùn)作,使得滅火劑在爆炸時得到有效分散。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,滅火劑的分散直徑超過12 m,分散高度超過6 m,如圖2(b)所示。滅火劑的分散情況良好,因此推測20型滅火彈可以對113 m2的火災(zāi)區(qū)域進(jìn)行控制。

3.1.2 20型2#滅火彈靜爆試驗(yàn)結(jié)果和分析

進(jìn)一步的研究可以在不同的懸掛高度下進(jìn)行試驗(yàn),以確定最佳的懸掛高度范圍,并探究不同高度對滅火劑分散效果的影響。針對森林和尤其是草原火災(zāi)的防控需要,我們發(fā)現(xiàn)如果1#滅火彈在高度超過10 m的位置開爆,滅火劑將無法覆蓋到地面,對地面附近的火情控制效果不佳。因此,試驗(yàn)條件對20型2#滅火彈更換了新的懸掛方案,將其懸掛在較低的高度進(jìn)行試爆。將20型2#滅火彈的懸掛高度設(shè)置為3.2 m,如圖3所示,展示了20型2#滅火彈在起爆瞬間以及滅火劑被爆開的情況。

圖3 20型2#滅火彈

從圖3中可以看出,與20型1#滅火彈相比,20型2#滅火彈在靜爆時滅火劑的覆蓋范圍稍大一些,并且可以完全覆蓋到地面。這說明對于20型滅火彈而言,理想的開爆高度在距離地面3～3.5 m左右,20型滅火彈的破片飛散范圍約為25～30 m。

通過這一發(fā)現(xiàn),我們可以在實(shí)際應(yīng)用中調(diào)整滅火彈的懸掛高度,以確保滅火劑能夠有效地覆蓋到地面并達(dá)到最佳的火情控制效果。

3.1.3 20型3#滅火彈靜爆試驗(yàn)結(jié)果和分析

為深入驗(yàn)證懸掛方式對靜爆試驗(yàn)及滅火劑分散的影響,我們對20型3#滅火彈進(jìn)行了水平懸掛方式下(高3.2 m)的靜爆試驗(yàn)。我們將20型3#滅火彈水平懸掛,如圖4所示。

圖4 20型3#滅火彈水平懸掛(3.2 m)

與豎直懸掛方式相比,水平懸掛方式由于中心爆管的徑向作用能力較強(qiáng),導(dǎo)致軸向分散尺度較小,而徑向分散尺度較大。在空中,滅火劑呈現(xiàn)出車輪型的分布形態(tài)。地面覆蓋區(qū)域形狀近似為長方形,盡管略小于豎直懸掛情況下的分散面積,但高度會略高一些。如圖5(a)起爆瞬間圖5(b)滅火劑覆蓋范圍所示。

圖5 20型3#滅火彈

綜合評估,相比起豎直懸掛方式,水平懸掛方式不及豎直懸掛方式起爆的總體效果。盡管滅火劑的分散面積稍小,但以長方形形狀覆蓋在地面上并稍高一些。這意味著在水平懸掛方式下,滅火劑可能無法達(dá)到豎直懸掛方式的控制范圍。

進(jìn)一步的研究可以側(cè)重于水平懸掛方式下的改進(jìn)措施,提高并實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的滅火劑分散效果。此外,還可以進(jìn)行詳細(xì)的定量分析,以了解水平懸掛方式與豎直懸掛方式之間的滅火效果差異。這些研究成果將為滅火作戰(zhàn)的策劃和實(shí)施提供重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

3.2 300型滅火彈靜爆試驗(yàn)結(jié)果和分析

相較于20型滅火彈而言,300型滅火彈是目前國內(nèi)外已知最大的滅火彈。每發(fā)300型滅火彈能夠裝填超過300 kg的滅火劑,彈重約為370 kg。通過合理選擇中心起爆炸藥品種和用量,我們可以實(shí)現(xiàn)滅火劑在空中的更加均勻分散,兩次試驗(yàn)均選擇豎直懸掛起爆方式進(jìn)行。如果中心起爆炸藥的品種和用量恰當(dāng),理論上能夠覆蓋更大的范圍,對森林和草原火情的控制將發(fā)揮決定性的作用。為了進(jìn)一步驗(yàn)證其效果,我們進(jìn)行了兩次靜爆試驗(yàn),準(zhǔn)確而全面地評估了300型滅火彈的性能。

3.2.1 300型1#滅火彈靜爆試驗(yàn)結(jié)果和分析

通過對300型滅火彈的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,我們發(fā)現(xiàn)在300型1#滅火彈靜爆后,爆炸半徑和較高濃度滅火劑的擴(kuò)散半徑都超過了25 m,如圖6(a)起爆瞬間圖6(b)滅火劑覆蓋范圍所示。

圖6 300型 1#滅火彈

此外,滅火劑的擴(kuò)散高度約為18 m?；谝陨蠑?shù)據(jù),我們可以初步估算出300型滅火彈對森林和草原火場的覆蓋面積約為2 000 m2,相當(dāng)于4個標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)球場的面積。在順風(fēng)方向下,滅火劑云團(tuán)還會繼續(xù)擴(kuò)散一定的時間和距離,實(shí)際影響的區(qū)域會更大。

試驗(yàn)結(jié)果還顯示,牛皮紙殼體破碎后的碎片可以散落到距離爆炸點(diǎn)50～60 m的范圍內(nèi),而端蓋金屬碎片的飛行距離甚至可以超過90 m,如圖7所示。因此,當(dāng)使用該型滅火彈進(jìn)行滅火時,距離滅火彈開爆點(diǎn)100 m以內(nèi)的區(qū)域?qū)儆谖ｋU區(qū)域,不應(yīng)有人員在此區(qū)域內(nèi)。滅火彈發(fā)揮作用后,消防人員可以進(jìn)入現(xiàn)場清理未完全熄滅的殘火和隱燃火。

圖7 7300型1#滅火彈

實(shí)驗(yàn)過程中觀察到,在該懸掛高度下爆炸的滅火彈,大量的滅火劑會迅速到達(dá)地面,這導(dǎo)致滅火劑在空中停留的時間較短,存在一定程度的浪費(fèi),如圖8所示。

圖8 滅火劑向下風(fēng)方向低空漂散

3.2.2 300型2#滅火彈靜爆試驗(yàn)結(jié)果和分析

通過提高懸掛高度,滅火彈中心爆管的能量利用得更充分,使得滅火劑的爆炸擴(kuò)散能力增強(qiáng),形成的滅火劑云團(tuán)覆蓋區(qū)域更廣,高度也明顯提高,可達(dá)20 m以上(以圖中龍門架高度20 m為參照)。同時,這些滅火劑云團(tuán)也很快覆蓋到了地面。因此,提高懸掛高度后測定13 m為該型滅火彈的合適爆炸高度,對于控制已經(jīng)處于猛烈燃燒狀態(tài)的森林火災(zāi)起著十分有利的作用。圖9展示了300型2#滅火彈的起爆瞬間、滅火劑隨著爆炸作用進(jìn)一步擴(kuò)散和爆炸所形成的云團(tuán)隨風(fēng)漂移的情形。

圖9 9300型 2#滅火彈

3.3 無人機(jī)搭載投放試驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)證明,通過使用無人機(jī)進(jìn)行20型滅火彈的載彈和投放全過程,取得了有效的結(jié)果。具體工作過程包括以下幾個方面:

無人機(jī)能夠正常進(jìn)行載彈起飛、上升、空中懸停、投彈和降落等操作。本次試驗(yàn)中,投彈高度設(shè)定為距離地面500 m,并采用了懸停后自由下落的方式。在實(shí)際使用中,根據(jù)火場的具體情況,可以適當(dāng)降低投彈的高度。

此外,調(diào)姿傘能夠自由打開,對于彈體下降起到姿態(tài)調(diào)整和控制的作用。小型調(diào)姿傘的姿態(tài)調(diào)整能力有限,導(dǎo)致彈體下降過程中搖擺幅度較大,難以保證滅火彈頭部的平穩(wěn)降落。相反,較大型號的調(diào)姿傘具有更強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力,可以確保滅火彈頭部向下平穩(wěn)下降。如圖10所示。然而,這也會顯著降低滅火彈的自由下降速度,并對某些型號引信解除保險產(chǎn)生影響。同時,這也會導(dǎo)致滅火彈隨風(fēng)降落到下風(fēng)方向,容易導(dǎo)致投彈的彈著點(diǎn)偏移。

圖10 20型滅火彈帶傘滅火彈降落(大傘)

4 結(jié)論與展望

本論文通過對20型和300型滅火航彈在森林火災(zāi)控制中的應(yīng)用策略進(jìn)行研究,得出了以下結(jié)論:

(1)20型滅火彈適宜在3.0～3.5 m的合理起爆高度下使用,形成的20 kg滅火劑云團(tuán)覆蓋范圍約為113 m2。與水平懸掛方式相比,豎直懸掛方式具有更大的起爆覆蓋面積,因此更適合采用。該型滅火彈適用于無人機(jī)掛載和投放,在初期或中小型森林、草原火災(zāi)控制中表現(xiàn)出優(yōu)良的應(yīng)用前景。

(2)300型滅火航彈的合理起爆高度為12～13 m,是當(dāng)前國內(nèi)外滅火劑裝填量最大的一款滅火彈。300 kg滅火劑形成的云團(tuán)覆蓋范圍約為2000 m2,超過了4個標(biāo)準(zhǔn)籃球場的面積。由于目前國內(nèi)無人機(jī)的載重量限制,無人機(jī)掛載和投放該型滅火彈的技術(shù)尚不成熟,300型滅火彈更適合借助消防直升機(jī)進(jìn)行掛載和投放。該型滅火彈適用于大面積森林火災(zāi)和草原火災(zāi)領(lǐng)域,具有較好的應(yīng)用前景。

(3) 20型滅火彈在使用時應(yīng)確保開爆點(diǎn)周圍30 m范圍內(nèi)沒有人員進(jìn)入,而300型滅火彈使用時應(yīng)保持100 m的安全距離,以免對人員造成一定程度的傷害。

(4) 調(diào)姿傘在滅火航彈投放過程中能夠起到姿態(tài)控制和減速的作用。然而,在設(shè)計調(diào)姿傘時需要綜合考慮投彈型號、匹配引信要求、落速以及引爆位置控制等多個因素。因此,未來的研究可以進(jìn)一步深入優(yōu)化調(diào)姿傘的設(shè)計和應(yīng)用,提高滅火航彈投放過程的精度和效率。

綜上所述,本論文對滅火航彈在森林火災(zāi)控制中的應(yīng)用策略進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。通過對不同型號滅火航彈的性能參數(shù)和特點(diǎn)進(jìn)行靜爆試驗(yàn)分析,為森林火災(zāi)控制提供了合理的選型和使用建議。此外,針對調(diào)姿傘的姿態(tài)控制和減速功能,也向未來的研究提出了展望和改進(jìn)方向。通過進(jìn)一步優(yōu)化滅火航彈的設(shè)計和應(yīng)用,我們可以提高火災(zāi)控制的效率和安全性,為森林和草原火災(zāi)撲救工作做出更大的貢獻(xiàn)。